JP2010135512A - Resistance change memory device - Google Patents

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実 五十嵐
Yutaka Higo
豊 肥後
Masakatsu Hosomi
政功 細見
Hiroshi Kano
博司 鹿野
Shinichiro Kusunoki
真一郎 楠
Hiroyuki Omori
広之 大森
Takenori Oishi
雄紀 大石
Tetsuya Yamamoto
哲也 山元
Kazuaki Yamane
一陽 山根
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resistance change memory device which uses a spin transfer effect which reduces the transition probability into a quasi-stable state, and achieves the stable flux reversal over a wide range of an injection current to write in data. <P>SOLUTION: The memory device has a laminate of tunnel magneto-resistance effect elements 1 which include a memory layer 16 which can reverse a direction of memory layer magnetization 53 inside a resistance change type memory cell MC, and include magnetic layers 12, 14, and 16 formed on a connection plug 31, and a line connecting the center of each layer of the laminate is inclined diagonally from a direction vertical to an upper face of the connection plug 31 in which the laminate concerned is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型メモリデバイスに関する。   The present invention relates to a resistance change type memory device that writes data using a spin transfer effect by current injection.

データ通信機器、特に携帯端末などのパーソナルな小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低電力化など、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。   With the rapid spread of data communication devices, especially personal small devices such as mobile terminals, the elements such as memory and logic that compose this device have higher performance such as higher integration, higher speed, and lower power consumption. Is required. In particular, the nonvolatile memory is considered as an indispensable component for enhancing the functionality of the device.

不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやFeRAM(強誘電体不揮発メモリ)などが実用化されている。そして、現在は、更なる高性能化に向けての活発な研究開発が行われている。
最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとしてトンネル磁気抵抗効果を利用したMRAM(Magnetic Random Access Memory)の開発進捗が著しく、注目を集めている(例えば、非特許文献1参照)。
As the nonvolatile memory, semiconductor flash memory, FeRAM (ferroelectric nonvolatile memory), and the like have been put into practical use. At present, active research and development is underway for further enhancement of performance.
Recently, MRAM (Magnetic Random Access Memory) using a tunnel magnetoresistive effect has been remarkably developed as a new nonvolatile memory using a magnetic material, and has attracted attention (for example, see Non-Patent Document 1).

ここで本発明と関連が深いMRAMの動作原理について簡単に説明する。
MRAMは、磁性体からなる微小な記憶担体を規則的に配置し、その各々にアクセスできるような配線を施した構造を有する磁気データ記録素子である。
磁性記憶担体の上方もしくは下方に配した導線(ワード線)、および読み出し導線(ビット線)の両方に電流を流すと、合成電流磁界が発生する。MRAMへのデータの書き込みは、合成電磁界によって各磁性体の磁化を制御することにより行う。
一般的には、磁化の向きに応じて“0”データと“1”データを記憶させる。素子のデータを書き換えるための代表的な方法には、アステロイド特性を利用した方法(例えば特許文献1参照)が存在する。また、スイッチング特性を利用した方法(例えば特許文献2参照)も存在する。
Here, the operation principle of the MRAM that is closely related to the present invention will be briefly described.
The MRAM is a magnetic data recording element having a structure in which minute memory carriers made of a magnetic material are regularly arranged and wirings are provided so as to be accessible to each of them.
When a current is passed through both the lead (word line) and the read lead (bit line) arranged above or below the magnetic storage carrier, a combined current magnetic field is generated. Data writing to the MRAM is performed by controlling the magnetization of each magnetic material by a synthetic electromagnetic field.
In general, “0” data and “1” data are stored according to the direction of magnetization. As a typical method for rewriting element data, there is a method using asteroid characteristics (see, for example, Patent Document 1). There is also a method using switching characteristics (see, for example, Patent Document 2).

データの読み出しは、トランジスタなどの素子を用いてセル選択を行い、電流磁気効果を通じて磁化の向きを電圧信号として取り出す。
セルの膜構成として提案されているのは、強磁性体/絶縁体/強磁性体の三層接合(強磁性トンネル接合、Magnetic Tunnel Junction - MTJ)を含む構造である。以下、この構造をMTJ構造という。
MTJ構造では、片方の強磁性層を磁化の向きが固定の固定参照層、他方を記録層(自由層)として用いる。これにより、MTJ構造は、トンネル磁気抵抗効果を通じて記録層磁化の向きと電圧信号を対応させている。
For data reading, cell selection is performed using an element such as a transistor, and the direction of magnetization is extracted as a voltage signal through the galvanomagnetic effect.
A structure including a three-layer junction of ferromagnetic material / insulator / ferromagnet (ferromagnetic tunnel junction, Magnetic Tunnel Junction-MTJ) has been proposed as a film structure of the cell. Hereinafter, this structure is referred to as an MTJ structure.
In the MTJ structure, one ferromagnetic layer is used as a fixed reference layer whose magnetization direction is fixed, and the other is used as a recording layer (free layer). Thus, the MTJ structure associates the recording layer magnetization direction with the voltage signal through the tunnel magnetoresistance effect.

MRAMは、磁性体の磁化反転による“0”と“1”のデータを、高速、かつ、ほぼ無限(10の15乗回以上)に書き換えることが可能である。これが、他の不揮発メモリと比較した場合のMRAMの最大の特長である。
しかし、その一方でMRAMは、配線に数[mA]〜数十[mA]の電流を流すために消費電力が大きい。また、MRAMは、記録のためのワード線、読み出しのためのビット線の両方を必要とするため、セルの微細化が困難である。さらにMRAMは、MTJを小さくすると反転に必要な磁界が大きくなるため、消費電力の観点でスケーリングに不利である。
The MRAM can rewrite data “0” and “1” due to magnetization reversal of a magnetic material at high speed and almost infinitely (10 15 times or more). This is the greatest feature of the MRAM when compared with other nonvolatile memories.
On the other hand, the MRAM consumes a large amount of power because a current of several [mA] to several tens [mA] flows through the wiring. In addition, since MRAM requires both a word line for recording and a bit line for reading, it is difficult to miniaturize cells. Furthermore, MRAM is disadvantageous for scaling from the viewpoint of power consumption because the magnetic field required for inversion increases when MTJ is reduced.

解決策の1つとして、電流磁界によらない記録方式が研究されており、なかでもスピントランスファ磁化反転に関する研究が活発である(例えば、特許文献3参照)。   As one of the solutions, a recording method that does not rely on a current magnetic field has been studied, and in particular, research on spin transfer magnetization reversal is active (see, for example, Patent Document 3).

スピントランスファ磁化反転の記憶素子は、MRAMと同じくMTJにより構成されている。ただし、スピントランスファ磁化反転では、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、自由層に進入する際にその磁性層にトルクを与えることを利用する。詳細には、あるしきい値以上の電流を流せば自由層磁化が反転する。
“0”と“1”のデータ書き換えは、電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は、0.1[μm]程度のスケールの素子で数[mA]以下であり、しかも素子体積に比例して減少する。この点で、スピントランスファ磁化反転の記憶素子は、スケーリング上有利である。
また、スピントランスファ磁化反転の記憶素子は、MRAMで必要であった記録のためのワード線が不要であるため、セルが単純になるという利点がある。
The spin transfer magnetization reversal storage element is composed of MTJ as in MRAM. However, spin transfer magnetization reversal utilizes the fact that spin-polarized electrons passing through a magnetic layer fixed in a certain direction give torque to the magnetic layer when entering the free layer. Specifically, the free layer magnetization is reversed when a current exceeding a certain threshold value is passed.
Data rewrite of “0” and “1” is performed by changing the polarity of the current.
The absolute value of the current for this inversion is several [mA] or less for an element having a scale of about 0.1 [μm], and decreases in proportion to the element volume. In this respect, the spin transfer magnetization reversal storage element is advantageous in terms of scaling.
In addition, the spin transfer magnetization reversal storage element has an advantage that the cell becomes simple because a word line for recording required in the MRAM is unnecessary.

読み出しはMRAMと同じくトンネル磁気抵抗効果を利用する。
本明細書において、スピントランスファを利用したMRAMをSpRAM(Spin transfer Random Access Memory)と呼ぶ。また、スピントランスファを引き起こすスピン偏極電子流をスピン注入電流(Spin injection current)と呼ぶ。
高速かつ書き換え回数がほぼ無限大であるというMRAMの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とした不揮発メモリとして、SpRAMには大きな期待が寄せられている。
特開平10−116490公報 米国特許第20030072174号 米国特許第005695864号 J.Nahas et al., IEEE / ISSCC 2004 Visulas Supplement p.22
Reading uses the tunnel magnetoresistive effect as in MRAM.
In this specification, an MRAM using spin transfer is referred to as SpRAM (Spin transfer Random Access Memory). A spin-polarized electron current that causes spin transfer is called a spin injection current.
There is great expectation for SpRAM as a non-volatile memory that can achieve low power consumption and large capacity while maintaining the advantages of MRAM, which is high speed and the number of rewrites is almost infinite.
JP-A-10-116490 US Patent No. 20030072174 U.S. Patent No. 005695864 J. Nahas et al., IEEE / ISSCC 2004 Visulas Supplement p.22

既に提案されているSpRAMにおいて、“0”と“1”のデータ書き換えは、スピン注入電流の極性を変えることにより行う。
しかし、スピントランスファ磁化反転現象に内在する不安定性のため磁化反転の結果を、スピン注入電流の極性のみでは必ずしも決定できない。
SpRAMにおいては“0”と“1”のデータに対応した磁化状態に加えて、スピン注入電流を流したときだけ成立する準安定状態が存在する。上記磁化反転結果の不安定性は、磁化が一旦準安定状態に捕らえられると電流を切った後の磁化状態が不定になってしまう現象に起因する。
In the already proposed SpRAM, data rewrite of “0” and “1” is performed by changing the polarity of the spin injection current.
However, because of the instability inherent in the spin transfer magnetization reversal phenomenon, the result of the magnetization reversal cannot always be determined only by the polarity of the spin injection current.
In SpRAM, in addition to the magnetization states corresponding to the data of “0” and “1”, there exists a metastable state that is established only when a spin injection current is passed. The instability of the magnetization reversal result is due to the phenomenon that the magnetization state after turning off the current becomes unstable once the magnetization is captured in the metastable state.

本発明では、注入電流の広い範囲にわたって安定な磁化反転を実現することが可能な構成の抵抗変化型メモリデバイスを提供する。   The present invention provides a resistance change type memory device having a configuration capable of realizing stable magnetization reversal over a wide range of injection current.

本発明の第1の観点に関わる抵抗変化型メモリデバイスは、電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、磁化の反転が可能な磁性層を含み導電層上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から斜めに傾いて、前記積層体が形成されている。   The resistance change type memory device according to the first aspect of the present invention includes a magnetic layer capable of reversal of magnetization in a resistance change type memory cell for writing data using a spin transfer effect by current injection. Including a tunnel magnetoresistive effect element stack formed on a conductive layer, and a line connecting the centers of the layers of the stack is oblique from a direction perpendicular to the surface of the conductive layer on which the stack is formed. The laminated body is formed at a tilt.

このような構造のトンネル磁気抵抗効果素子の積層体では、その積層方向(層厚方向)に印加される電圧に応じて電流が流れる。通常の積層体、つまり、各層の中心を結ぶ線が積層方向と平行な場合は、流れる電流の方向も積層方向とほぼ一致する。
これに対し、上記のように各層の中心を結ぶ線が積層面(下地の導電層の面)と垂直な方向から斜めに傾いていると、電流ベクトルの向きも、その分、斜めになる。
このような構成では、電流ベクトルが斜めになると、そのある向きの電流成分に起因して、準安定状態が存在する方向に記憶のための磁化が向くことを妨げる内部磁界が発生する。つまり、斜めの電流ベクトルのある特定の向きの電流成分が生じると、この電流成分の大きさに応じて、準安定状態への遷移が妨げられるという作用がある。
In a laminated body of tunnel magnetoresistive effect elements having such a structure, a current flows according to a voltage applied in the lamination direction (layer thickness direction). When a normal laminated body, that is, a line connecting the centers of the layers is parallel to the laminating direction, the direction of the flowing current substantially coincides with the laminating direction.
On the other hand, if the line connecting the centers of the layers is inclined obliquely from the direction perpendicular to the laminated surface (surface of the underlying conductive layer) as described above, the direction of the current vector is also inclined accordingly.
In such a configuration, when the current vector becomes oblique, an internal magnetic field that prevents the magnetization for storage from being directed in the direction in which the metastable state exists is generated due to the current component in a certain direction. In other words, when a current component having a specific direction with an oblique current vector is generated, there is an effect that the transition to the metastable state is prevented according to the magnitude of the current component.

本発明の第2の観点に関わる抵抗変化型メモリデバイスは、電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、第1導電層と第2導電層の層間に形成された磁化の反転が可能な磁性層を含むトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、前記積層体と前記第1導電層の接触面と、前記積層体と前記第2導電層の接触面とが、前記磁化の反転方向内でずれた位置に形成されている。   The resistance change type memory device according to the second aspect of the present invention includes a first conductive layer and a second conductive layer in a resistance change type memory cell that writes data using a spin transfer effect by current injection. A tunnel magnetoresistive element including a magnetic layer capable of reversing the magnetization formed between the layers, a contact surface between the stack and the first conductive layer, the stack and the second conductive layer. The contact surface of the layer is formed at a position shifted in the magnetization reversal direction.

この第2の観点に関わる抵抗変化型のメモリデバイスは、第1の観点と同様に電流ベクトルを斜めにする。
特に第2の観点では、電流の入り口と出口となる2つの接触面を斜めに配置し、これにより全体として電流パスの分布が斜めになる。そのため生じる特定の電流成分に起因して、準安定状態への遷移が妨げられるという作用がある。
In the resistance change type memory device according to the second aspect, the current vector is inclined as in the first aspect.
In particular, in the second aspect, the two contact surfaces serving as the current inlet and the outlet are arranged obliquely, whereby the current path distribution as a whole becomes oblique. Therefore, there is an effect that the transition to the metastable state is prevented due to a specific current component generated.

上記第1および第2の観点では、より好ましくは、前記積層体は、前記強磁性トンネル構造の積層方向の一方側と他方側で、強磁性トンネル構造以外の積層体部分の断面積が異なる。   In the first and second aspects, more preferably, in the stacked body, the cross-sectional areas of the stacked body portions other than the ferromagnetic tunnel structure are different on one side and the other side in the stacking direction of the ferromagnetic tunnel structure.

本発明によれば、注入電流の広い範囲にわたって安定な磁化反転を実現することが可能な構成の抵抗変化型メモリデバイスを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a resistance change memory device having a configuration capable of realizing stable magnetization reversal over a wide range of injection current.

以下、本発明の実施形態を、SpRAMを例として図面を参照して説明する。
以下、後述する第1〜第3の、より詳細な実施形態に共通な断面素子構造と現象を、最初に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings by taking SpRAM as an example.
Hereinafter, the cross-sectional element structure and phenomenon common to the first to third and more detailed embodiments to be described later will be described first.

<実施形態に共通な断面素子構造>
図1は、本発明が適用されていない比較例に関わり、スピン注入電流によって“0”と“1”のデータ反転を行うSpRAMのメモリセルMCの断面模式図である。
図1に図解したメモリセルMCは、上層配線からなるビット線32と、ソース線(不図示)との間に、トンネル磁気抵抗効果素子1と、セレクト素子とが直列接続されている。
セレクト素子は、読み出しまたは書き込みのため電気的にメモリセルを選択する素子であり、ダイオードまたはMOSトランジスタ等を用いることができる。図1は、セレクト素子として、MOSトランジスタ(セレクトトランジスタ41)を用いた例を示す。
<Cross-sectional element structure common to the embodiments>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an SpRAM memory cell MC that performs data inversion of “0” and “1” by a spin injection current in relation to a comparative example to which the present invention is not applied.
In the memory cell MC illustrated in FIG. 1, a tunnel magnetoresistive element 1 and a select element are connected in series between a bit line 32 made of an upper layer wiring and a source line (not shown).
The select element is an element that electrically selects a memory cell for reading or writing, and a diode, a MOS transistor, or the like can be used. FIG. 1 shows an example in which a MOS transistor (select transistor 41) is used as the select element.

Si基板40に、セレクトトランジスタ41の拡散層42と拡散層43が、チャネルが形成される領域を挟んで互いに離れて形成されている。拡散層42と拡散層43は、チャネルが形成される領域と逆導電型となるように不純物が導入され、低抵抗化されている。このうち拡散層42は、不図示の箇所でソース線と接続される。
拡散層43は、接続プラグ31を介してトンネル磁気抵抗効果素子1の一方端(下端)と接続されている。
トンネル磁気抵抗効果素子1のもう一端(上端)はビット線32に接続されている。セレクトトランジスタ41のゲートは、不図示の薄いゲート絶縁膜とゲート導電層の積層構造を有する。当該ゲート導電層が選択信号線30として機能するか、当該導電層が別の選択信号線30と接続されている。
On the Si substrate 40, a diffusion layer 42 and a diffusion layer 43 of the select transistor 41 are formed apart from each other across a region where a channel is formed. Impurities are introduced into the diffusion layer 42 and the diffusion layer 43 so as to be opposite in conductivity type to the region where the channel is formed, and the resistance is reduced. Among these, the diffusion layer 42 is connected to the source line at a location not shown.
The diffusion layer 43 is connected to one end (lower end) of the tunnel magnetoresistive effect element 1 through the connection plug 31.
The other end (upper end) of the tunnel magnetoresistive element 1 is connected to the bit line 32. The gate of the select transistor 41 has a laminated structure of a thin gate insulating film (not shown) and a gate conductive layer. The gate conductive layer functions as the selection signal line 30 or the conductive layer is connected to another selection signal line 30.

トンネル磁気抵抗効果素子1は、磁化が比較的容易に回転する記憶層16と、磁化固定層12および14とを含む。
記憶層16と、磁化固定層12および14は例えばニッケル(Ni)、鉄(Fe)あるいはコバルト(Co)、またはこれらの合金を主成分とする強磁性体が用いられる。
記憶層16は複数の磁性層で構成される場合もあり、これらをまとめて自由層3と称することもある。図1に図解した例では、自由層3が、下層から順にトンネルバリア層15、記憶層16および非磁性層17を含んで構成されている。
Tunneling magneto-resistance effect element 1 includes a storage layer 16 whose magnetization rotates relatively easily, and magnetization fixed layers 12 and 14.
The storage layer 16 and the magnetization fixed layers 12 and 14 are made of, for example, a ferromagnetic material mainly composed of nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), or an alloy thereof.
The storage layer 16 may be composed of a plurality of magnetic layers, and these may be collectively referred to as the free layer 3. In the example illustrated in FIG. 1, the free layer 3 includes a tunnel barrier layer 15, a storage layer 16, and a nonmagnetic layer 17 in order from the lower layer.

磁化固定層12と磁化固定層14は、非磁性層13を介して反強磁性結合しており、さらに磁化固定層12は反強磁性体11と接して作られている。これらの層間に働く交換相互作用によって強い一方向の磁気異方性を持つが、これらをまとめて固定層2と称することもある。図1に図解した例では、固定層2が、下層から順に下地膜10、反強磁性体11、磁化固定層12、非磁性層13および磁化固定層14を含んで構成されている。   The magnetization fixed layer 12 and the magnetization fixed layer 14 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 13, and the magnetization fixed layer 12 is formed in contact with the antiferromagnetic material 11. Although there is a strong unidirectional magnetic anisotropy due to exchange interaction acting between these layers, these may be collectively referred to as a fixed layer 2. In the example illustrated in FIG. 1, the fixed layer 2 includes a base film 10, an antiferromagnetic material 11, a magnetization fixed layer 12, a nonmagnetic layer 13, and a magnetization fixed layer 14 in order from the lower layer.

非磁性層13および非磁性層17の材料としては、タンタル(Ta)、銅(Cr)、ルテニウム(Ru)などが使用できる。定常状態において非磁性層13を介した強い反強磁性結合により磁化固定層12の磁化51と磁化固定層14の磁化(以下、参照層磁化という)52はほぼ完全な反平行状態にある。
通常、磁化固定層12と磁化固定層14の飽和磁化膜厚積は等しく、磁極磁界の漏洩成分は無視できるくらい小さい。
反強磁性体の材料としては、例えば鉄(Fe),ニッケル(Ni),白金(Pt),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh)などのマンガン合金、コバルト(Co)やニッケル酸化物などが使用できる。
As a material for the nonmagnetic layer 13 and the nonmagnetic layer 17, tantalum (Ta), copper (Cr), ruthenium (Ru), or the like can be used. Due to strong antiferromagnetic coupling through the nonmagnetic layer 13 in a steady state, the magnetization 51 of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization (hereinafter referred to as reference layer magnetization) 52 of the magnetization fixed layer 14 are in a substantially complete antiparallel state.
Normally, the saturation magnetization film thickness products of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization fixed layer 14 are equal, and the leakage component of the magnetic pole magnetic field is negligibly small.
Examples of antiferromagnetic materials include manganese alloys such as iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), iridium (Ir), and rhodium (Rh), cobalt (Co), and nickel oxide. it can.

また、記憶層16と磁化固定層14との間には、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、シリコン(Si)等の酸化層、もしくは窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層15が置かれている。トンネルバリア層15は、記憶層16と磁化固定層14との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。   In addition, a tunnel barrier layer 15 made of an insulating layer made of an oxide layer such as aluminum (Al), magnesium (Mg), silicon (Si), or nitride is disposed between the storage layer 16 and the fixed magnetization layer 14. It has been. The tunnel barrier layer 15 plays a role of cutting the magnetic coupling between the storage layer 16 and the magnetization fixed layer 14 and flowing a tunnel current.

これらの磁性膜および導体膜は主にスパッタリング法により形成され、トンネルバリア層は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化、もしくは窒化させることにより得ることができる。   These magnetic films and conductor films are mainly formed by sputtering, and the tunnel barrier layer can be obtained by oxidizing or nitriding a metal film formed by sputtering.

非磁性層17は、トップコート膜であり、トンネル磁気抵抗効果素子とトンネル磁気抵抗効果素子を接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び記憶層16の酸化防止という役割がある。トップコート膜は、通常、銅(Cu),タンタル(Ta),窒化チタン等の材料が使用できる。
下地膜10は、下地膜で上方に積層される膜の結晶性を高める作用がある。下地膜10の材料は、クロム(Cr)、タンタル(Ta)等を使用できる。
The nonmagnetic layer 17 is a topcoat film, and plays a role of preventing mutual diffusion between the tunnel magnetoresistive effect element and the wiring connecting the tunnel magnetoresistive effect element, reducing contact resistance, and preventing the memory layer 16 from being oxidized. For the top coat film, materials such as copper (Cu), tantalum (Ta), and titanium nitride can be usually used.
The base film 10 has an effect of increasing the crystallinity of the film stacked above the base film. As the material of the base film 10, chromium (Cr), tantalum (Ta), or the like can be used.

記憶層16の磁化(以下、記憶層磁化という)53と磁化固定層14の磁化(参照層磁化)52が平行状態にあるか反平行状態にあるかによってメモリセルの状態を決定することができる。
メモリセルの状態を読み出したり書き換えたりするためにスピン注入電流70を流す必要がある。
スピン注入電流70は、拡散層43、トンネル磁気抵抗効果素子1およびビット線32を通過する。
The state of the memory cell can be determined based on whether the magnetization of the storage layer 16 (hereinafter referred to as storage layer magnetization) 53 and the magnetization of the fixed magnetization layer 14 (reference layer magnetization) 52 are in a parallel state or antiparallel state. .
In order to read or rewrite the state of the memory cell, it is necessary to pass a spin injection current 70.
The spin injection current 70 passes through the diffusion layer 43, the tunnel magnetoresistive element 1 and the bit line 32.

図2は、SpRAMの特性を測定する装置の例を示す。
トンネル磁気抵抗効果素子1の自由層の磁化53を“0”と“1”のデータ反転することは、スピン注入電流70の他にバイアス電流磁界72によっても可能である。
スピン注入電流70のパルス波高値を縦軸に、バイアス電流磁界72のパルス波高値を横軸に描かれたメモリセルの状態図を、フェイズダイアグラム(phase diagram)と呼ぶ。
図2に図解する装置は、バイアス電流磁界72を発生させるのにヘルムホルツコイル74を用いる。ヘルムホルツコイル74を流れるバイアス電流71は外部電源73から独立に供給される。スピン注入電流70はメモリセルと接続されたビット線32を介して別の駆動回路から流入または流出する。
図2の装置を用いればスピン注入電流70とバイアス電流磁界72の大きさと位相を任意に設定してフェイズダイアグラムを作成のための測定を行うことができる。
FIG. 2 shows an example of an apparatus for measuring SpRAM characteristics.
It is possible to invert the data 53 of the free layer of the tunnel magnetoresistive effect element 1 between “0” and “1” by the bias current magnetic field 72 in addition to the spin injection current 70.
A state diagram of a memory cell in which the pulse peak value of the spin injection current 70 is plotted on the vertical axis and the pulse peak value of the bias current magnetic field 72 is plotted on the horizontal axis is referred to as a phase diagram.
The apparatus illustrated in FIG. 2 uses a Helmholtz coil 74 to generate a bias current magnetic field 72. The bias current 71 flowing through the Helmholtz coil 74 is supplied independently from the external power source 73. The spin injection current 70 flows in or out from another driving circuit via the bit line 32 connected to the memory cell.
If the apparatus of FIG. 2 is used, the magnitude | size and phase of the spin injection current 70 and the bias current magnetic field 72 can be set arbitrarily, and the measurement for creating a phase diagram can be performed.

図3は、スピン注入電流70のパルスとバイアス電流71のパルスを印加するタイミングを表す図である。
初期状態を符号tにより示す。また、簡単のためスピン注入電流70とバイアス電流71はともに矩形パルスとする。
スピン注入電流70とバイアス電流71の立ち上がり時間をそれぞれ符号tとtにより示す。スピン注入電流70とバイアス電流71の立ち下がり時間をそれぞれ符号tおよびtにより示す。
時間tにおいて、記憶層磁化53と参照層磁化52のなす角度によって決まる抵抗状態を読み取って、終了状態を決定する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the timing of applying the pulse of the spin injection current 70 and the pulse of the bias current 71.
The initial state is shown by the code t 0. For simplicity, both the spin injection current 70 and the bias current 71 are rectangular pulses.
The rise times of the spin injection current 70 and the bias current 71 are indicated by symbols t 1 and t 2 , respectively. The fall times of the spin injection current 70 and the bias current 71 are indicated by symbols t 3 and t 4 , respectively.
At time t 5 , the resistance state determined by the angle formed by the storage layer magnetization 53 and the reference layer magnetization 52 is read to determine the end state.

図4は、本発明が適用されていないSpRAMのパルス持続時間10[ns]におけるメモリセル状態図である。メモリセル状態図は、スピン注入電流70のパルス波高値を縦軸に、メモリセルのアドレスを横軸にして、スピン注入電流値とセル状態との相関関係を示すものである。
スピン注入電流を流す以前の初期状態はバイアス電流磁界72の極性によって、例えば、記憶層磁化53と参照層磁化52が反平行状態をなすように揃えられている。
FIG. 4 is a memory cell state diagram in the pulse duration 10 [ns] of the SpRAM to which the present invention is not applied. The memory cell state diagram shows the correlation between the spin injection current value and the cell state, with the pulse peak value of the spin injection current 70 on the vertical axis and the memory cell address on the horizontal axis.
The initial state before flowing the spin injection current is aligned so that, for example, the storage layer magnetization 53 and the reference layer magnetization 52 are in an antiparallel state depending on the polarity of the bias current magnetic field 72.

メモリセル状態図が示すセル状態とは、磁化反転の結果、最終的に到達した状態である。
SpRAMを含むMRAMにおいて“0”と“1”のデータ記憶が明らかな2つの安定な磁化状態に対応し、“0”と“1”のデータ記憶が明確でない不安定領域が存在することは好ましくない。
スピントランスファトルクが存在しない場合、例えば、本発明が適用されていないMRAMにおいては安定な磁化状態は記憶層磁化53の持つポテンシャルエネルギーの谷に対応している。
The cell state shown in the memory cell state diagram is a state finally reached as a result of magnetization reversal.
In MRAM including SpRAM, it is preferable that there are two unstable magnetization states in which data storage of “0” and “1” is obvious, and there is an unstable region where data storage of “0” and “1” is not clear. Absent.
When there is no spin transfer torque, for example, in an MRAM to which the present invention is not applied, a stable magnetization state corresponds to a potential energy valley of the storage layer magnetization 53.

<実施形態に共通な現象説明>
下記文献1(*1)によれば、記憶層磁化に作用する有効磁界からのトルクは以下の式(1)で表わされる。
(*1)文献1:「M. R. Gibbons, “Micromagnetic Simulation using the dynamic alternating direction implicit method”, J. Magn. Magn. Mater., 186, pp.389 (1998)」
<Description of phenomena common to the embodiments>
According to the following document 1 (* 1) , the torque from the effective magnetic field acting on the storage layer magnetization is expressed by the following equation (1).
(* 1) Reference 1: “MR Gibbons,“ Micromagnetic Simulation using the dynamic alternating direction implicit method ”, J. Magn. Magn. Mater., 186, pp.389 (1998)”

Figure 2010135512
Figure 2010135512

有効磁界は記憶層磁化のポテンシャルエネルギーと、   The effective magnetic field is the potential energy of storage layer magnetization,

Figure 2010135512
となる関係にある。
Figure 2010135512
It is in a relationship.

ポテンシャルエネルギーはさらに次式(3)で表わされる。   The potential energy is further expressed by the following equation (3).

Figure 2010135512
メモリ素子が図2のような装置内置かれた場合、外部磁界は注入電流磁界とバイアス電流磁界の和になる。
Figure 2010135512
When the memory element is placed in the apparatus as shown in FIG. 2, the external magnetic field is the sum of the injected current magnetic field and the bias current magnetic field.

図1のような素子構造においては、トンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を流れる電流が誘起する磁界は渦状の磁界となるため記憶層磁化の向きを一様な方向に向ける効果は持たない。   In the element structure as shown in FIG. 1, since the magnetic field induced by the current flowing through the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31 is a vortex magnetic field, there is no effect of directing the storage layer magnetization in a uniform direction. .

特許文献(特開2005−277147号公報)にあるとおり、ビット線32を流れる注入電流が誘起する磁界を記憶層磁化に作用させる発明は既に存在する。   As described in the patent document (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-277147), there is already an invention in which a magnetic field induced by an injection current flowing through the bit line 32 acts on the storage layer magnetization.

有効磁界からのトルクは、系の最終状態がポテンシャルエネルギーの谷に収束するまで作用する。記憶層磁化が一様な磁化状態にあれば、ポテンシャルエネルギーの谷は、記憶層磁化53と参照層磁化52が平行となる状態と、記憶層磁化53と参照層磁化52が反平行となる状態のふたつが存在することが知られている。
そこで、外部から電流磁界等を印加することによって、初期状態をエネルギー的に不安定な状態に移行させ終了状態を初期状態とは反対の状態に帰着させることができる。
Torque from the effective magnetic field acts until the final state of the system converges to a potential energy valley. If the storage layer magnetization is in a uniform magnetization state, the potential energy valleys are a state in which the storage layer magnetization 53 and the reference layer magnetization 52 are parallel, and a state in which the storage layer magnetization 53 and the reference layer magnetization 52 are antiparallel. It is known that there are two.
Therefore, by applying a current magnetic field or the like from the outside, the initial state can be shifted to an energetically unstable state, and the end state can be reduced to a state opposite to the initial state.

ところが、SpRAMの場合、“0”と“1”のデータに対応した磁化状態に加えてスピン注入電流を流したときだけ成立する準安定状態が存在し、磁化が一旦準安定状態に捕らえられると電流を切った後の磁化状態が不定になってしまう場合が希に起こりうる。   However, in the case of SpRAM, in addition to the magnetization state corresponding to the data of “0” and “1”, there exists a metastable state that is established only when a spin injection current is passed, and the magnetization is once trapped in the metastable state. In rare cases, the magnetization state after turning off the current may become indefinite.

下記の文献2(*2)によれば、スピン偏極電子から伝達されるトルク(スピントランスファトルク)は、次式(4)で表わされる。
(*2)文献2:「Y. B. Bazaliy, et.al., “Modification of the Landau-Lifshitz equation in the presence of a spin-polarized current in Colossal- and giant-Magnetoresistive Materials”, PRB 57, pp.R3213 (1998)」
According to Document 2 (* 2) below, torque (spin transfer torque) transmitted from spin-polarized electrons is expressed by the following equation (4).
(* 2) Reference 2: “YB Bazaliy, et.al.,“ Modification of the Landau-Lifshitz equation in the presence of a spin-polarized current in Colossal- and giant-Magnetoresistive Materials ”, PRB 57, pp.R3213 ( 1998) ''

Figure 2010135512
Figure 2010135512

Figure 2010135512
Figure 2010135512

Figure 2010135512
となる関係にある。
Figure 2010135512
It is in a relationship.

伝導電子の運動エネルギーはさらに、次式(6)で表わされる。   The kinetic energy of conduction electrons is further expressed by the following formula (6).

Figure 2010135512
Figure 2010135512

図1に示すように注入電流密度ベクトルがプレーナ面に対して垂直な方向を向く場合(Jx=Jy=0、Jz≠0)、伝導電子の運動エネルギーの谷もプレーナ面に対して垂直方向を向くことになる。
運動エネルギーの谷は注入電流を流した状態でしか安定しないので準安定状態とみなすことができる。
SpRAMにおいては伝導電子の運動エネルギーの谷が磁化のポテンシャルエネルギーの谷とは異なる方向を向いている。このため、遷移の途上で準安定状態に一旦捕らえられると、終了状態が初期状態とは無関係になってしまうことが希に起こる。
図4において示される不安定領域76は磁化が遷移の途上で準安定状態に捕らえられたことを反映している。
As shown in FIG. 1, when the injection current density vector is oriented in a direction perpendicular to the planar surface (Jx = Jy = 0, Jz ≠ 0), the kinetic energy valley of the conduction electrons is also perpendicular to the planar surface. It will turn.
The valley of the kinetic energy can be regarded as a metastable state because it is stable only when an injection current is passed.
In SpRAM, the kinetic energy valleys of conduction electrons are oriented in a different direction from the magnetization potential energy valleys. For this reason, once captured in the metastable state during the transition, the end state rarely becomes independent of the initial state.
The unstable region 76 shown in FIG. 4 reflects that the magnetization was trapped in a metastable state in the course of transition.

図5(A)は、磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
初期状態において記憶層磁化53が+x方向、参照層磁化52が−x方向を向いているものとする。しきい値以上のスピン注入電流70を流すと磁化はx軸周りで歳差運動しながらやがて−x方向に反転する。これは安定状態が反平行状態(0状態)と平行状態(1状態)のふたつが存在する場合であり、しきい電流75以上の電流を流すことによって片方の状態から別の状態へとスイッチングできることを表す。
FIG. 5A is a schematic diagram showing a magnetization transition process when magnetization reversal is normally performed.
It is assumed that the storage layer magnetization 53 is in the + x direction and the reference layer magnetization 52 is in the −x direction in the initial state. When a spin injection current 70 of a threshold value or more is passed, the magnetization is reversed in the −x direction over time while precessing around the x axis. This is the case where there are two stable states, the anti-parallel state (0 state) and the parallel state (1 state), and it is possible to switch from one state to another state by passing a current of threshold current 75 or more. Represents.

図5(B)は、磁化反転が正常に行われない場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
初期状態において記憶層磁化53が+x方向、参照層磁化52が−x方向を向いているものとする。しきい値以上のスピン注入電流70を流すと磁化はx軸周りで歳差運動するが、それがz軸周りの歳差運動へ変わる。z軸周りの歳差運動が準安定状態として成立したためである。この現象は伝導電子の運動エネルギーが磁化のポテンシャルエネルギーを越えた場合に希に起こる。
FIG. 5B is a schematic diagram showing a magnetization transition process when the magnetization reversal is not normally performed.
It is assumed that the storage layer magnetization 53 is in the + x direction and the reference layer magnetization 52 is in the −x direction in the initial state. When a spin injection current 70 exceeding the threshold is applied, the magnetization precesses around the x axis, but it changes to precession around the z axis. This is because precession around the z-axis is established as a metastable state. This phenomenon rarely occurs when the kinetic energy of conduction electrons exceeds the potential energy of magnetization.

準安定状態は伝導電子が運動エネルギーを得ている状態、すなわち、スピン注入電流70が流れている時間内でしか存在できない。このため、電流を流すのを止めたその後の状態は“0”あるいは“1”どちらにも到達しうる。
図5(B)においては、スイッチングの途上で磁化が準安定状態に捕らえられたために、電流を切った後の状態が最初の磁化状態へと戻ったことを表す。
The metastable state can exist only in a state where the conduction electrons have obtained kinetic energy, that is, within the time during which the spin injection current 70 flows. Therefore, the state after the current flow is stopped can reach either “0” or “1”.
FIG. 5B shows that the state after turning off the current has returned to the initial magnetization state because the magnetization was trapped in the metastable state during switching.

前述したような磁化状態が不定になる現象は、SpRAMにおけるデータ書き込みの信頼性を劣化させる。
誤り訂正回路で幾ばくかの書き込み誤りを救うことはできるが、その場合は余分な回路によるチップ面積増大、消費電力増大を招来する。
また、かかる不安定現象が存在する限り、SpRAMを主記憶メモリとして使用することを困難にする。それではデータ器機の高性能化をするための不揮発メモリとしてのSpRAMの価値は著しく低いものとしてしまう結果となる。
The phenomenon that the magnetization state becomes unstable as described above deteriorates the reliability of data writing in the SpRAM.
Although some error in writing can be saved by the error correction circuit, in that case, the chip area and power consumption increase due to the extra circuit.
Further, as long as such an unstable phenomenon exists, it becomes difficult to use the SpRAM as the main memory. Then, the result is that the value of SpRAM as a nonvolatile memory for improving the performance of the data device is extremely low.

《第1実施形態》
SpRAMにおいてスイッチング終了状態が意図する状態とは別の状態に遷移してしまうのは、スピン注入電流70を流すことによって一時的に生じる準安定状態が意図する遷移の軌道を擾乱するためである。
図1のような構造のままでは、スピントランスファ磁化回転を原理とする限り、一時的に準安定状態が誘導させるのを完全に防ぐことは難しい。
しかし、準安定状態が存在する方向(図5(B)ではz軸方向)が判明しているならば、その方向に記憶層磁化53が向かないようにスピン注入電流を流す方向を最適化することは可能である。
<< First Embodiment >>
The reason why the switching end state transits to a state different from the intended state in the SpRAM is that the metastable state temporarily generated by passing the spin injection current 70 disturbs the intended transition trajectory.
With the structure as shown in FIG. 1, it is difficult to completely prevent the metastable state from being temporarily induced as long as the principle of spin transfer magnetization rotation is used.
However, if the direction in which the metastable state exists (the z-axis direction in FIG. 5B) is known, the direction in which the spin injection current flows is optimized so that the storage layer magnetization 53 does not face that direction. It is possible.

図6は第1実施形態に関わるSpRAMの断面模式図である。

Figure 2010135512
伝導電子の運動エネルギーの谷がプレーナ面(厳密には、トンネル磁気抵抗効果素子1が形成された接続プラグ31の上面)に対して垂直以外の方向を向くと、記憶層磁化53が垂直方向を向いて準安定状態をとる確率を大幅に低減できる。ここで、電流密度ベクトルにプレーナ面と平行な電流ベクトル成分(または)のうち、磁化の反転方向であるx方向と直交する方向の電流ベクトル成分(ここでは、図6では電流成分Iにより表記)が大きくなると、より準安定状態をとる確率が減少するため望ましい。準安定状態をとる確率が減少すれば、磁化遷移結果が不定になることもなくなり、不安定領域は解消される。
詳しい検討に依れば、プレーナ面と平行な面(本例では接続プラグ31の上面)に対して、トンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を傾斜させる角度77は5度〜85度の範囲にあるのが望ましい。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the SpRAM according to the first embodiment.
Figure 2010135512
When the valley of the kinetic energy of the conduction electrons faces a direction other than perpendicular to the planar surface (strictly speaking, the upper surface of the connection plug 31 on which the tunnel magnetoresistive element 1 is formed), the storage layer magnetization 53 becomes perpendicular. The probability of facing and taking a metastable state can be greatly reduced. Here, among the current vector components (or) parallel to the planar surface in the current density vector, the current vector component in the direction orthogonal to the x direction, which is the magnetization reversal direction (here, represented by the current component I y in FIG. 6). ) Increases, the probability of taking a metastable state decreases, which is desirable. If the probability of the metastable state is reduced, the magnetization transition result will not be indefinite, and the unstable region is eliminated.
According to a detailed study, the angle 77 for inclining the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31 with respect to a plane parallel to the planar surface (in this example, the upper surface of the connection plug 31) is in the range of 5 to 85 degrees. It is desirable to be in

図7は、第1実施形態において磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程を示す模式図である。
初期状態において記憶層磁化53が+x方向、参照層磁化52が−x方向を向いているものとする。トンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を傾斜させることによって記憶層磁化53は準安定状態の存在する方向を向くことなく遷移を終了する。
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a magnetization transition process when magnetization reversal is normally performed in the first embodiment.
It is assumed that the storage layer magnetization 53 is in the + x direction and the reference layer magnetization 52 is in the −x direction in the initial state. By tilting the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31, the storage layer magnetization 53 ends the transition without being directed in the direction in which the metastable state exists.

図8は、第1実施形態において電流パルス列持続時間と待機時間の合計が10[ns]としたときのメモリセル状態図である。
メモリセル状態図は電流パルス列の波高値を縦軸にメモリセルのアドレスを横軸にして描かれている。
FIG. 8 is a memory cell state diagram when the total of the current pulse train duration and the standby time is 10 [ns] in the first embodiment.
The memory cell state diagram is drawn with the crest value of the current pulse train as the vertical axis and the address of the memory cell as the horizontal axis.

トンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を傾斜させる角度77はおよそ30度である。このとき、運動エネルギーの谷を移動させることによって図4において見られたような反転結果が不定になる状態を完全に除くことができた。
またトンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を傾斜させることによる副次的な効果として、トンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を流れるスピン注入電流70が誘起する電流磁界を記憶層磁化53に作用させることができる。この効果を高めるにはトンネル磁気抵抗効果素子1を通過する前の電流密度と通過後の電流に差を設けるよう断面積を調整するのが好ましい。
The angle 77 for inclining the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31 is approximately 30 degrees. At this time, by moving the valley of the kinetic energy, the state where the inversion result as seen in FIG.
As a secondary effect of tilting the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31, a current magnetic field induced by the spin injection current 70 flowing through the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31 is applied to the storage layer magnetization 53. Can act. In order to enhance this effect, it is preferable to adjust the cross-sectional area so as to provide a difference between the current density before passing through the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the current after passing.

図6に示す構造を得るには、たとえば、斜めのエッチングで埋め込み絶縁膜に斜めの穴を開け、この穴にプラグ材を埋め込んで接続プラグ31を形成する。つぎに、埋め込み絶縁膜上の接続プラグ31の上面に接するように、トンネル磁気抵抗効果素子1を構成する各膜を形成する。
その後、レジスト等のマスク層を形成して、そのマスク層の周辺のトンネル磁気抵抗効果素子1を構成する各膜を順次、斜めのエッチングで除去する。
マスク層を除去すると、図6における斜めの接続プラグ31とトンネル磁気抵抗効果素子1の積層体の形成が完了する。なお、その他のトランジスタや配線は通常の方法に従って形成する。
In order to obtain the structure shown in FIG. 6, for example, an oblique hole is formed in the buried insulating film by oblique etching, and a plug material is buried in this hole to form the connection plug 31. Next, each film constituting the tunnel magnetoresistive effect element 1 is formed so as to be in contact with the upper surface of the connection plug 31 on the buried insulating film.
Thereafter, a mask layer such as a resist is formed, and the respective films constituting the tunnel magnetoresistive effect element 1 around the mask layer are sequentially removed by oblique etching.
When the mask layer is removed, the formation of the laminated body of the oblique connection plug 31 and the tunnel magnetoresistive effect element 1 in FIG. 6 is completed. Other transistors and wirings are formed according to a normal method.

ここで図6においては、面内磁化型のMTJを例示する。
本実施形態において、磁化容易軸の方向が「磁化の反転方向」であり、当該方向は、ここではx軸91の方向に該当する。
「磁化の反転方向と直交する方向」がy軸92の方向に該当する。
「トンネル磁気抵抗効果素子1を構成する積層体の各層の中心を結ぶ線が傾いている」というときの基準(傾きゼロの方向)は、接続プラグ31の上面(積層体の形成面)と垂直なx軸93の方向である。
Here, FIG. 6 illustrates an in-plane magnetization type MTJ.
In the present embodiment, the direction of the easy magnetization axis is the “magnetization reversal direction”, and this direction corresponds to the direction of the x-axis 91 here.
The “direction perpendicular to the magnetization reversal direction” corresponds to the direction of the y-axis 92.
The reference (in the direction of zero inclination) when “the line connecting the centers of the layers of the laminated body constituting the tunnel magnetoresistive effect element 1 is inclined” is perpendicular to the upper surface of the connection plug 31 (the surface on which the laminated body is formed). This is the direction of the x-axis 93.

図6に示す面内磁化型のMTJをトンネル磁気抵抗効果素子1は、MTJを構成する各層の平面形状が、磁化の容易化方向(磁化容易軸の方向)と、磁性層の平面内で磁化容易軸の方向と直交する方向とで、寸法として異なっていることが望ましい。このため、図6では、例えばMTJを構成する各層の平面形状が楕円形を例示する。
より詳細に、図6では磁化の容易性を規定する一つが楕円の平面形状であり、楕円の長軸方向(x軸91の方向)で磁化が容易に安定する。逆に、楕円の短軸方向(y軸92の方向)では磁化が安定とならない。そのため磁化の反転方向は、x軸91の方向に設定されている。
In the in-plane magnetization type MTJ shown in FIG. 6, the tunnel magnetoresistive effect element 1 is configured such that the planar shape of each layer constituting the MTJ is magnetized in the direction of easy magnetization (direction of easy axis of magnetization) and in the plane of the magnetic layer. It is desirable that the dimensions are different in the direction perpendicular to the direction of the easy axis. For this reason, in FIG. 6, for example, the planar shape of each layer constituting the MTJ is an ellipse.
More specifically, in FIG. 6, one of the prescriptions for the ease of magnetization is an elliptical planar shape, and the magnetization is easily stabilized in the major axis direction of the ellipse (the direction of the x-axis 91). Conversely, the magnetization is not stable in the minor axis direction of the ellipse (the direction of the y-axis 92). Therefore, the magnetization reversal direction is set to the x-axis 91 direction.

《第2実施形態》
SpRAMにおいてスイッチング終了状態が意図する状態とは別の状態に遷移してしまうのは、スピン注入電流70を流すことによって一時的に生じる準安定状態が意図する遷移の軌道を擾乱するためである。
図1のような構造のままではスピントランスファ磁化回転を原理とする限り一時的に準安定状態が誘導されるのを完全に防ぐことは難しい。しかし、準安定状態が存在する方向(図5(B)ではz軸方向)が判明しているならばその方向に記憶層磁化53が向かないようにトンネル磁気抵抗効果素子1の積層方向を最適化することは可能である。
<< Second Embodiment >>
The reason why the switching end state transits to a state different from the intended state in the SpRAM is that the metastable state temporarily generated by passing the spin injection current 70 disturbs the intended transition trajectory.
With the structure as shown in FIG. 1, it is difficult to completely prevent the metastable state from being temporarily induced as long as the principle of spin transfer magnetization rotation is used. However, if the direction in which the metastable state exists (the z-axis direction in FIG. 5B) is known, the stacking direction of the tunnel magnetoresistive effect element 1 is optimized so that the storage layer magnetization 53 does not face that direction. It is possible to

図9は、第2実施形態に関わるSpRAMの断面模式図である。

Figure 2010135512
伝導電子の運動エネルギーの谷がプレーナ面(厳密には、トンネル磁気抵抗効果素子1が形成された接続プラグ31の上面)に対して垂直以外の方向を向くと、記憶層磁化53が垂直方向を向いて準安定状態をとる確率を大幅に低減できる。準安定状態をとる確率が減少すれば、磁化遷移結果が不定になることもなくなり、不安定領域は解消される。
詳しい検討に依れば、プレーナ面と平行な面(本例では接続プラグ31の上面)に対して、トンネル磁気抵抗効果素子1および接続プラグ31を傾斜させる角度77は5度〜85度の範囲にあるのが望ましい。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an SpRAM according to the second embodiment.
Figure 2010135512
When the valley of the kinetic energy of the conduction electrons faces a direction other than perpendicular to the planar surface (strictly speaking, the upper surface of the connection plug 31 on which the tunnel magnetoresistive element 1 is formed), the storage layer magnetization 53 becomes perpendicular. The probability of facing and taking a metastable state can be greatly reduced. If the probability of the metastable state is reduced, the magnetization transition result will not be indefinite, and the unstable region is eliminated.
According to a detailed study, the angle 77 for inclining the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the connection plug 31 with respect to a plane parallel to the planar surface (in this example, the upper surface of the connection plug 31) is in the range of 5 to 85 degrees. It is desirable to be in

磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程は、図7に示す第1実施形態に関わる模式図とほぼ同様なものが得られた。
図7において、初期状態において記憶層磁化53が+x方向、参照層磁化52が−x方向を向いているものとする。
トンネル磁気抵抗効果素子1がなす平面を傾斜させることによって記憶層磁化53は準安定状態の存在する方向を向くことなく遷移を終了する。
The magnetization transition process in the case where the magnetization reversal was normally performed was substantially the same as the schematic diagram related to the first embodiment shown in FIG.
In FIG. 7, it is assumed that the storage layer magnetization 53 is in the + x direction and the reference layer magnetization 52 is in the −x direction in the initial state.
By tilting the plane formed by the tunnel magnetoresistive effect element 1, the storage layer magnetization 53 ends the transition without facing the direction in which the metastable state exists.

また、電流パルス列持続時間と待機時間の合計が10[ns]としたときのメモリセル状態図も、図8の第1実施形態の状態図と同じものが得られた。
図8において、メモリセル状態図は電流パルス列の波高値を縦軸にメモリセルのアドレスを横軸にして描かれている。トンネル磁気抵抗効果素子1を傾斜させる角度77はおよそ30度である。
Further, the same memory cell state diagram as that of the first embodiment of FIG. 8 was obtained when the sum of the current pulse train duration and the standby time was 10 [ns].
In FIG. 8, the memory cell state diagram is drawn with the crest value of the current pulse train as the vertical axis and the address of the memory cell as the horizontal axis. The angle 77 for tilting the tunnel magnetoresistive element 1 is approximately 30 degrees.

運動エネルギーの谷を移動させることによって図4において見られたような反転結果が不定になる状態を完全に除くことができた。
また、トンネル磁気抵抗効果素子1を傾斜させることによる副次的な効果として、トンネル磁気抵抗効果素子1を流れるスピン注入電流70が誘起する電流磁界を記憶層磁化53に作用させることができる。この効果を高めるにはトンネル磁気抵抗効果素子1を通過する前の電流密度と通過後の電流に差を設けるよう断面積を調整するのが好ましい。
By moving the valley of the kinetic energy, it was possible to completely eliminate the state in which the inversion result was indefinite as seen in FIG.
As a secondary effect of tilting the tunnel magnetoresistive effect element 1, a current magnetic field induced by the spin injection current 70 flowing through the tunnel magnetoresistive effect element 1 can be applied to the storage layer magnetization 53. In order to enhance this effect, it is preferable to adjust the cross-sectional area so as to provide a difference between the current density before passing through the tunnel magnetoresistive effect element 1 and the current after passing.

なお、図9に示すように、プレーナ面とほぼ平行な接続プラグ31の上面に対して、各層が斜めとなるように、トンネル磁気抵抗効果素子1を形成する必要がある。このためには、第1実施形態にて説明した斜めのエッチングを用いると、図6に示す斜めのトンネル磁気抵抗効果素子1が、真っ直ぐな接続プラグ31の上面に形成されることになる。このような形態でもよいが、図9のようにするには、たとえば以下の方法を採用できる。   As shown in FIG. 9, it is necessary to form the tunnel magnetoresistive element 1 so that each layer is inclined with respect to the upper surface of the connection plug 31 substantially parallel to the planar surface. For this purpose, when the oblique etching described in the first embodiment is used, the oblique tunnel magnetoresistive effect element 1 shown in FIG. 6 is formed on the upper surface of the straight connection plug 31. Although such a form may be sufficient, in order to make it like FIG. 9, the following method can be employ | adopted, for example.

下地膜10を、接続プラグ31の上面に接する下面が水平な場合でも、その上面を水平面より斜めに形成する。
このような下地膜10の加工方法としては、例えば、フォトマスク上の工夫で、光の透過光量が、あるパターンの転写平面に対して一方から他方に徐々に減少していくようにする。
Even when the lower surface in contact with the upper surface of the connection plug 31 is horizontal, the upper surface of the base film 10 is formed obliquely from the horizontal plane.
As a method for processing such a base film 10, for example, the amount of transmitted light gradually decreases from one to the other with respect to a transfer plane of a certain pattern by a device on a photomask.

そのように工夫されたフォトマスクを用いると、露光後のレジストの断面形状が、図9の下地膜10のように上面のみ斜めとなる形状となる。このレジストを、下地膜材料に対してある程度、選択比が低い条件でエッチバックしていくと、そのレジストが除去される過程で、下地膜が、一方から他方に徐々に深くエッチングされる。そして、最終的には、レジスト形状を反映して下地膜10のようにパターンニングされる。
その後、下地膜10上に、固定層2の他の構成膜と自由層3の構成膜を、順次形成し、パターンニングすると、図9のようなトンネル磁気抵抗効果素子1を実現できる。
When such a devised photomask is used, the cross-sectional shape of the resist after exposure becomes a shape in which only the upper surface is slanted like the base film 10 in FIG. When this resist is etched back under a condition with a low selectivity to the base film material to some extent, the base film is gradually deeply etched from one to the other in the process of removing the resist. Finally, patterning is performed like the base film 10 reflecting the resist shape.
Thereafter, when the other constituent films of the fixed layer 2 and the constituent films of the free layer 3 are sequentially formed on the base film 10 and patterned, the tunnel magnetoresistive effect element 1 as shown in FIG. 9 can be realized.

《第3実施形態》
図10に示すように、トンネル磁気抵抗効果素子1を形成する前に、接続プラグ31の上面に、電流経路を限定するような導電コンタクト層33と、その周囲の絶縁層34を形成する。そして、前述した製法で、導電コンタクト層33が埋め込まれた絶縁層34上に、トンネル磁気抵抗効果素子1を斜めに形成する。
ここで、トンネル磁気抵抗効果素子1が傾いた向きを、図10に符号“A”により示し、その向きAと反対の向きを符号“B”により示す。
<< Third Embodiment >>
As shown in FIG. 10, before forming the tunnel magnetoresistive effect element 1, a conductive contact layer 33 and a surrounding insulating layer 34 are formed on the upper surface of the connection plug 31 to limit the current path. Then, the tunnel magnetoresistive element 1 is formed obliquely on the insulating layer 34 in which the conductive contact layer 33 is embedded by the above-described manufacturing method.
Here, the direction in which the tunnel magnetoresistive effect element 1 is inclined is indicated by a symbol “A” in FIG. 10, and the direction opposite to the direction A is indicated by a symbol “B”.

図10に示すように、向きB寄りの位置で導電コンタクト層33がトンネル磁気抵抗効果素子1の下面と接触するように、導電コンタクト層33に対してトンネル磁気抵抗効果素子1を形成する。
つぎに、ビット線32を形成するが、そのときも、トンネル磁気抵抗効果素子1を埋め込む平坦化膜の最上層の膜に、電流経路を限定するようにトンネル磁気抵抗効果素子1の上面より狭い開口部35を形成する。そして、開口部35を介してビット線32をトンネル磁気抵抗効果素子1と電気的に接続する。
開口部35の位置は、トンネル磁気抵抗効果素子1が傾いた向きAと反対の向きB寄りの位置である。このため、電流の平均的な向きは、導電コンタクト層33と開口部35に規定されて斜めになる。
As shown in FIG. 10, the tunnel magnetoresistive effect element 1 is formed on the conductive contact layer 33 so that the conductive contact layer 33 is in contact with the lower surface of the tunnel magnetoresistive effect element 1 at a position near the direction B.
Next, the bit line 32 is formed. At that time, the bit line 32 is narrower than the upper surface of the tunnel magnetoresistive element 1 so as to limit the current path to the uppermost film of the planarizing film in which the tunnel magnetoresistive element 1 is embedded. Opening 35 is formed. Then, the bit line 32 is electrically connected to the tunnel magnetoresistive element 1 through the opening 35.
The position of the opening 35 is a position near the direction B opposite to the direction A in which the tunnel magnetoresistive element 1 is inclined. For this reason, the average direction of the current is defined by the conductive contact layer 33 and the opening 35 and becomes oblique.

この導電コンタクト層33と開口部35の配置は、トンネル磁気抵抗効果素子1を斜めに形成した効果、即ち、準安定状態への遷移を妨害する効果を増強する。このため、よりエラー率が低いメモリが実現できる。
なお、この導電コンタクト層33と開口部35の配置により効果で十分な場合、トンネル磁気抵抗効果素子1は斜めにする必要は必ずしもない。このような形態も、当該第3実施形態に含まれる。また、この導電コンタクト層33と開口部35の配置をずらすことは、第2実施形態への適用も可能である。
The arrangement of the conductive contact layer 33 and the opening 35 enhances the effect of forming the tunnel magnetoresistive element 1 obliquely, that is, the effect of obstructing the transition to the metastable state. For this reason, a memory with a lower error rate can be realized.
If the effect is sufficient due to the arrangement of the conductive contact layer 33 and the opening 35, the tunnel magnetoresistive element 1 does not necessarily need to be inclined. Such a form is also included in the third embodiment. Further, shifting the arrangement of the conductive contact layer 33 and the opening 35 can be applied to the second embodiment.

《第4実施形態》
図11のように、MTJ構造をなす磁化固定層14、トンネルバリア層15、記憶層16に対し、その積層方向の一方側と他方側で断面積を変えても、第1実施形態の効果を増強する効果が得られる。
これは、準安定状態への遷移を妨げる向きの内部磁界を発生する電流成分が断面積に比例した大きさで発生するからである。つまり、この電流成分のアンバランスMTJ構造の上下で大きければ、それだけ準安定状態への遷移を妨げる内部磁界の強さも増す。
<< 4th Embodiment >>
As shown in FIG. 11, the effects of the first embodiment can be obtained even if the cross-sectional areas of the magnetization fixed layer 14, the tunnel barrier layer 15, and the storage layer 16 having the MTJ structure are changed on one side and the other side in the stacking direction. The effect of enhancing is obtained.
This is because the current component that generates the internal magnetic field in the direction that prevents the transition to the metastable state is generated in a magnitude proportional to the cross-sectional area. That is, the greater the current component is above and below the unbalanced MTJ structure, the greater the strength of the internal magnetic field that prevents the transition to the metastable state.

このような断面積が異なる積層体の形成は、トンネル磁気抵抗効果素子1を、加工パターンのサイズを変えた2回のエッチングに分けて形成することで達成される。
なお、断面積を変えることによる準安定状態への遷移を妨げるアシスト効果は、準安定状態への遷移を妨げる内部磁界を発生する電流成分の存在を前提とする。このため、断面積を変えること単独では効果がなく、第1または第2実施形態と組み合わせた当該第4実施形態のような形態で効果が発揮される。さらに、第3実施形態への適用、さらには、その他の任意の実施形態と組み合わせても適用可能である。
Formation of a laminated body having different cross-sectional areas is achieved by forming the tunnel magnetoresistive effect element 1 in two etchings with different processing pattern sizes.
The assist effect that prevents the transition to the metastable state by changing the cross-sectional area is based on the presence of a current component that generates an internal magnetic field that prevents the transition to the metastable state. For this reason, changing the cross-sectional area alone has no effect, and the effect is exhibited in the form of the fourth embodiment combined with the first or second embodiment. Furthermore, the present invention can be applied to the third embodiment and further combined with any other embodiment.

以上の第1〜第4実施形態では、面内磁化型のMTJを有するトンネル磁気抵抗効果素子を例とする。しかし、垂直磁化型、すなわち磁化の方向がMTJを構成する積層体の各層の垂直方向(法線方向)のトンネル磁気抵抗効果素子に変更も可能である。この場合でも「積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から(当該垂直な方向を基準として)斜めに傾いている」ことに変わりがない。ただし、磁化容易化方向(容易化軸の方向)がx軸93であり、その容易化軸の方向と直交する方向、例えばy軸92側に斜めにMTJの積層体を傾かせると、上述した面内磁化型と同様に準安定状態への遷移確率が低下するという効果が同様に得られる。   In the first to fourth embodiments described above, a tunnel magnetoresistive element having an in-plane magnetization type MTJ is taken as an example. However, it is also possible to change to a perpendicular magneto-resistance type, that is, a tunnel magnetoresistive effect element in the perpendicular direction (normal direction) of each layer of the multilayer body constituting the MTJ. Even in this case, “the line connecting the centers of the layers of the laminate is inclined obliquely from the direction perpendicular to the surface of the conductive layer on which the laminate is formed (based on the perpendicular direction)”. There is no. However, the magnetization facilitating direction (the facilitating axis direction) is the x-axis 93, and when the MTJ laminate is tilted obliquely in a direction orthogonal to the facilitating axis direction, for example, the y-axis 92 side, the above-described Similarly to the in-plane magnetization type, the effect that the transition probability to the metastable state is reduced can be obtained.

以上詳述してきた第1〜第4実施形態によれば、スピントランスファ磁化反転に伴う不安定性を除去し、メモリセルを高い信頼性で“0”と“1”のデータ反転できるようになる。これにより、SpRAMの微細化、高信頼化、大容量化、低消費電力化が容易になる。   According to the first to fourth embodiments described above in detail, the instability associated with the spin transfer magnetization reversal is removed, and the data of the memory cell can be reversed with high reliability “0” and “1”. As a result, it becomes easy to reduce the size, increase the reliability, increase the capacity, and reduce the power consumption of the SpRAM.

比較例に関わるSpRAMのメモリセルの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the memory cell of SpRAM in connection with a comparative example. 実施形態で用いることができる、SpRAMの特性を測定する装置を示す図である。It is a figure which shows the apparatus which measures the characteristic of SpRAM which can be used by embodiment. 実施形態での測定において、スピン注入電流とバイアス電流の各パルスを印加するタイミング図である。FIG. 4 is a timing chart for applying each pulse of a spin injection current and a bias current in the measurement in the embodiment. 比較例のSpRAMに関わる、パルス持続時間10[ns]におけるメモリセル状態図である。It is a memory cell state figure in pulse duration 10 [ns] regarding SpRAM of a comparative example. (A)は磁化反転が正常に行われた場合の、(B)は磁化反転が正常に行われなかった場合の磁化遷移過程を示す図である。(A) is a figure when a magnetization reversal is performed normally, (B) is a figure which shows the magnetization transition process when a magnetization reversal is not performed normally. 第1実施形態に関わるSpRAMの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of SpRAM in connection with 1st Embodiment. 第1実施形態において磁化反転が正常に行われた場合の磁化遷移過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the magnetization transition process when magnetization reversal is performed normally in 1st Embodiment. 第1実施形態において電流パルス列持続時間と待機時間の合計が10[ns]としたときのメモリセル状態図である。FIG. 6 is a memory cell state diagram when the sum of the current pulse train duration and the standby time is 10 [ns] in the first embodiment. 第2実施形態に関わるSpRAMの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of SpRAM in connection with 2nd Embodiment. 第3実施形態に関わるSpRAMの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of SpRAM in connection with 3rd Embodiment. 第4実施形態に関わるSpRAMの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of SpRAM in connection with 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…トンネル磁気抵抗効果素子、2…固定層、3…自由層、10…下地膜、11…反強磁性体、12…磁化固定層、13…非磁性層、14…磁化固定層、15…トンネルバリア層、16…記憶層、17…非磁性層、30…選択信号線、31…接続プラグ、32…ビット線、33…導電コンタクト層、34…絶縁層、35…開口部、41…セレクトトランジスタ、51,52,53…磁化、MC…メモリセル   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Tunnel magnetoresistive effect element, 2 ... Fixed layer, 3 ... Free layer, 10 ... Underlayer, 11 ... Antiferromagnetic material, 12 ... Magnetization fixed layer, 13 ... Nonmagnetic layer, 14 ... Magnetization fixed layer, 15 ... Tunnel barrier layer, 16 ... storage layer, 17 ... nonmagnetic layer, 30 ... selection signal line, 31 ... connection plug, 32 ... bit line, 33 ... conductive contact layer, 34 ... insulating layer, 35 ... opening, 41 ... select Transistor, 51, 52, 53 ... Magnetization, MC ... Memory cell

Claims (8)

電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、磁化の向きが反転可能な磁性層を含み導電層上に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、
前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から斜めに傾いて、前記積層体が形成されている
抵抗変化型メモリデバイス。
A stack of tunnel magnetoresistive elements formed on a conductive layer, including a magnetic layer whose magnetization direction can be reversed, in a resistance change type memory cell that writes data using a spin transfer effect by current injection. Have a body,
A resistance change type memory device in which a line connecting the centers of the layers of the stacked body is inclined from a direction perpendicular to a surface of the conductive layer on which the stacked body is formed, thereby forming the stacked body.
前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から5度以上、85度以内の範囲で斜めに傾いて、前記積層体が形成されている
請求項1に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
A line connecting the centers of the layers of the laminate is inclined at an angle within a range of 5 degrees or more and 85 degrees or less from a direction perpendicular to the surface of the conductive layer on which the laminate is formed, thereby forming the laminate. The resistance change type memory device according to claim 1.
前記積層体の各層の中心を結ぶ線が、当該積層体が形成された前記導電層の面と垂直な方向から前記磁化の反転方向と直交する方向側に斜めに傾いて、前記積層体が形成されている
請求項1に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
A line connecting the centers of the layers of the laminate is inclined obliquely from a direction perpendicular to the surface of the conductive layer on which the laminate is formed to a direction perpendicular to the magnetization reversal direction, thereby forming the laminate. The resistance change type memory device according to claim 1.
前記積層体が、第1の導電層と第2の導電層の間に形成されており、
前記積層体と前記第1導電層の接触面と、前記積層体と前記第2導電層の接触面が、前記磁化の反転方向と直交する方向内でずれた位置に形成されている
請求項1に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
The laminate is formed between a first conductive layer and a second conductive layer;
The contact surface between the stacked body and the first conductive layer and the contact surface between the stacked body and the second conductive layer are formed at positions shifted in a direction orthogonal to the magnetization reversal direction. 2. The resistance change type memory device according to 1.
前記積層体は、絶縁層と、当該絶縁層を挟む2層の強磁性体層とから形成された強磁性トンネル構造を含み、
前記積層体は、前記強磁性トンネル構造の積層方向の一方側と他方側で、強磁性トンネル構造以外の積層体部分の断面積が異なる
請求項1に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
The laminate includes a ferromagnetic tunnel structure formed of an insulating layer and two ferromagnetic layers sandwiching the insulating layer,
The resistance change type memory device according to claim 1, wherein the stacked body has different cross-sectional areas of a stacked body portion other than the ferromagnetic tunnel structure on one side and the other side in the stacking direction of the ferromagnetic tunnel structure.
前記積層体は、前記強磁性トンネル構造に電流を注入する側の積層体部分の断面積が、前記強磁性トンネル構造から電流が出てゆく側の積層体部分の断面積より小さい
請求項5に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
The cross-sectional area of the laminated body portion on the side where current is injected into the ferromagnetic tunnel structure is smaller than the cross-sectional area of the laminated body portion where current flows out of the ferromagnetic tunnel structure. The resistance change type memory device described.
電流の注入によるスピントランスファ効果を利用してデータの書き込みを行う抵抗変化型のメモリセル内に、第1導電層と第2導電層の層間に形成された磁化の反転が可能な磁性層を含むトンネル磁気抵抗効果素子の積層体を有し、
前記積層体と前記第1導電層の接触面と、前記積層体と前記第2導電層の接触面とが、前記磁化の反転方向と直交する方向内でずれた位置に形成されている
抵抗変化型メモリデバイス。
A resistance change type memory cell for writing data using a spin transfer effect by current injection includes a magnetic layer formed between the first conductive layer and the second conductive layer and capable of reversing the magnetization. Having a stack of tunnel magnetoresistive elements,
The contact surface between the stacked body and the first conductive layer and the contact surface between the stacked body and the second conductive layer are formed at positions shifted in a direction orthogonal to the magnetization reversal direction. Type memory device.
前記積層体は、前記強磁性トンネル構造に電流を注入する側の積層体部分の断面積が、前記強磁性トンネル構造から電流が出てゆく側の積層体部分の断面積より小さい
請求項7に記載の抵抗変化型メモリデバイス。
The cross-sectional area of the laminate portion on the side where current is injected into the ferromagnetic tunnel structure is smaller than the cross-sectional area of the laminate portion on the side where current flows out of the ferromagnetic tunnel structure. The resistance change type memory device described.
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